一種新型自主避障系統設計構想

翟偉東

摘 要：本設計構想旨在設計一種新型的自主避障系統，它能夠搭載在水下航行器上，幫助航行器識別并躲避水下的障礙物，保證水下航行器的安全工作。系統攜帶有聲納和GPS，能夠準確定位航行器所處的地理位置信息，并利用超聲波檢測到周圍的障礙物，采用避障算法，進行避障路徑規劃，同時通過搭載的水下全景攝像頭，將海洋環境情況實時傳送給地面站，供研究人員對水下環境做更深層的研究。總之，該避障系統能解決傳統水下巡航監測遇到的諸多問題，幫助人們更好地進行水下巡航工作。

關鍵詞：自主避障;聲納測距;工業控制計算機

0 引言

20世紀90年代以來，海洋工程與科技的發展受到廣泛的關注與研究。水中的無人航行器作為一種低風險的自主作業產品，在軍事生產等各個方面都有著廣泛的應用。目前，無人航行器包括水面水下航行器、遙控式水下航行器、自主式水下航行器等很多種。這些航行器可以完成水上水下的信息采集監測任務，在具有較高的工作效率的同時還可以避免海洋中的巡航監測任務所帶來的風險。目前，自主式巡航船主要依靠激光進行水面避障，而水下航行器主要通過工業級的視頻傳輸，由地面進行路徑規劃與避障，因此，目前的水下航行器缺乏一定的自主判斷能力，在執行任務時也需要更高的人力物力成本，工作難度顯著提升。

為了解決現有技術在水下航行器上的缺陷，本文將闡述一種能在水下可靠地進行障礙規避與航跡規劃的自主避障系統的設計構思，從而大大增加水下航行器的自主性，降低水下航行器航行檢測成本。

1 設計方案

這種新興的自主避障系統主要包括五個部分：信息收集系統、水下建圖系統、核心處理系統、核心控制系統和數據傳輸系統。

1.1 信息收集系統

信息收集系統主要包括聲納測距模塊、發射換能模塊和捷聯慣導系統。聲納測距模塊包含超聲波聲納測距器與聲納控制儀，超聲波聲納測距器為矢量聲波測距器，聲納控制儀可以開關聲納測距器并且儲存測距數據。發射換能模塊為聲納測距模塊的輔助模塊，用以將電能轉化為聲波。發射換能模塊與聲納測距器都與聲納控制儀連接，它與聲納測距模塊共同進行超聲波測距工作，對水下航行器周圍的障礙物進行測距。捷聯慣導系統包括GPS導航系統與IMU慣性測量單元，具體包括陀螺儀、加速度計和微型計算機。其中GPS系統用以監測水下航行器的地理位置信息，IMU慣性測量單元為基于MEMS技術的陀螺儀與加速度計。最終信息收集系統中收集到的測距數據、姿態數據以及地理位置數據都會傳輸至核心處理系統進行處理。

1.2 水下建圖系統

水下建圖系統為水下全景攝像模塊，由兩臺廣角相機組成，位于水下航行器的前端，得到的水下二維圖像數據會傳輸至核心處理系統。

1.3 核心處理系統

核心處理系統使用的是工業控制計算機，目的是能夠在水下復雜的環境中對數據進行準確的處理。核心處理系統一方面可以根據信息收集系統中的測距數據、姿態數據等，融合后利用實時環境建模法確定出障礙物的位置（這塊方法很多，也比較成熟，這樣說已經比較明白了），之后通過避障算法進行路徑規劃，從而實現避障。另一方面可以根據水下二維圖像數據、姿態數據以及GPS數據，利用pix4d mapper實現水下環境三維建模，提高路徑規劃的準確性并將建模數據回傳至地面站。

1.4 核心控制系統

核心控制系統使用的是STM32單片機，核心控制系統主要進行底層控制，即根據路徑規劃指令控制水下航行器的動力設備，從而使水下航行器按照避障路線行駛。

1.5 數據傳輸系統

數據傳輸系統可采用WiFi模塊、藍牙模塊、ZigBee模塊、或者sub-IG模塊實現，主要用于向地面傳輸環境建模數據，也用于地面向水下航行器發送指令。

2 具體工作流程

地面站上位機為水下航行器規定航跡路線后，水下航行器開始航行。信息收集系統收集水下航行器的實時姿態、實時位置、障礙物測距信息，之后，通過I/0口、RS232串口通信協議實現數據傳輸，將數據信息傳輸至核心處理系統。水下建圖系統采集水下圖像信息通過USB2.0標準連接傳輸至核心處理系統。核心處理系統對得到的數據進行數據處理：（1）工業控制計算機對位置信息、姿態信息與聲納聲波信息進行信號轉化與數據處理，通過時間差定位算法確定水下障礙物的方位與距離，之后進行路徑規劃;（2）工業控制計算機利用pix4d mapper將圖像信息與姿態信息疊加輸出，生成三維水下環境模型，之后利用數據傳輸系統將水下環境模型回傳至地面站上位機。地面站上位機通過對水下環境建模數據分析后也可直接向水下航行器發出控制指令，實現有效避障。由核心控制系統收到的運動控制指令，來控制水下航行器上的動力裝置，如舵機與電機，從而使水下航行器按照避障航跡航行。

3 結論

本文闡述了一種新型自主避障系統的設計方案，它能夠搭載在水下航行器上，通過GPS和聲納，實現航行器的定位及周圍障礙物監測，利用避障算法，規劃出較好的巡航路線。通過全景攝像機實時監測周圍環境，并利用數據傳輸系統，將得到的數據傳遞給地面站，供研究人員更好地觀察水下環境，從而有計劃地開展后續的水下工作。

當今社會，“和平與發展”仍是主流，但國家想要在世界立足，必須擁有絕對的軍事力量。可以看到，我國正在積極進行海上的軍事訓練，以及開展各種海洋工程建設。其中，能夠實現對水下環境的監測變得尤為重要。本文所闡述的新型避障系統的設計，就在于解決傳統水下航行器自主避障能力不強，且需要較高人力物力的缺點，真正實現水下環境的自動化監測，從而方便相關人員更好地開展在海洋的相關工作。因此，該自主避障系統的設計在海洋軍事領域具有廣闊的應用前景。

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